不同滴灌年限小麦土壤速效养分空间变异特征

李亚莉，赖 宁，乔江飞，耿庆龙，陈署晃

(1.塔城地区农业技术推广中心，新疆塔城 834700；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】应用地统计学和克里格内插法是目前分析土壤养分空间变异的主要做法，通过研究滴灌土壤养分积累时空变异，为确定合理试验田间采样尺度和釆样数目，划分最小施肥单元、提高土壤调查和制图精度提供理论和数据参考。近年来，不少研究者采用此方法研究不同作物的土壤养分空间变异，建立最优施肥模型以实现农作物的精准施肥。【前人研究进展】雷咏雯等[1]研究了不同尺度条件下的土壤养分含量分布，得出在大尺度条件下土壤中有效磷均呈正态分布，而中尺度和小尺度则呈偏态分布。赵彦峰等[2]研究江苏省无锡市小尺度的土壤养分空间变异，得出土壤速效养分空间变异在不同程度上依赖于相应全量养分的变化，它们之间存在显著相关关系。饶江等[3]对广西蔗区土壤养分进行了小尺度的空间变异研究，表明土壤养分含量空间变异强度均为中等，碱解氮空间变异主要由结构性因素引起，速效磷和速效钾则为结构性因素和随机性因素共同引起。自由路等[4]得出不同尺度下的土壤养分变异主要影响因素均不同，在中小尺度下对土壤养分空间变异的主要影响因素为土壤养分管理，而大尺度下的主要影响是区域因素。刘付程等[7-9]则表明各要素的空间变异均与人为因素有关[5]。还有研究者得出某一尺度的系统过程和性质受约于该尺度。贺敬谨、路鹏等[10-11]研究得出小尺度的空间变异程度更有利于精细农业的发展。【本研究切入点】目前，滴灌技术大部分都应用在果树、棉花等经济价值较高的作物上，对于小麦、玉米等经济价值较低的粮食作物上应用滴灌灌溉的实例极少。目前针对滴灌小麦的研究主要集中在灌溉制度和产量上，密植条件下中小尺度的土壤养分空间格局及变异特征研究较少。研究小麦不同滴灌年限土壤速效养分积累的变化规律。【拟解决的关键问题】以滴灌小麦为研究对象，采取时空互换的方法，对滴灌根区小尺度土壤养分积累空间变异进行研究，为滴灌小麦土壤调查和施肥技术体系提供理论和数据依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究区位于新疆奇台县西地镇(89°13′～91°22′E，42°25′～45°29′N)，属于中温带大陆性半荒漠干旱性气候。气温年变化和日变化较大，年平均气温5.2℃，极端最高气温41℃，极端最低气温-40℃，年日照时数>3 000 h。风向盛行南风，无霜期年平均153 d(4月下旬～10月上旬)。年降水量190 mm左右，而年蒸发量则高达2 100 mm。土壤类型为盐渍草甸土，主要种植的农作物有甜菜、小麦、番茄和油葵等，滴灌为主要的灌溉方式。

1.2 方 法

1.2.1 小尺度土壤采样

在新疆奇台县小麦滴灌种植区选择耕作年限为1、3、5和7年(1、3、5、7 a)的滴灌农田。于2015年7月(小麦收获)，基于时间及位置分辨率大小，分别对1、3、5、7 a滴灌年限的农田进行小尺度的取样分析，采用时空互代的方法进行土壤养分空间变异分析。

在田间管理、滴灌带布设、施肥上一致的基础上，布设1管4行的种植方式，以支管为界限，设置40 m×40 m的采样区域，各采样点东西和南北间距均为10 m，样点均处于滴灌带毛管旁，每个点土样按三层(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)取样。每种滴灌年限麦田样点数为25个，每个样点3次重复，共计225个土壤样品。图1

图1 采样点分布示意
Fig.1 The sampling point distribution diagram

1.2.2 土样分析

参照土壤农化分析[12]方法，分别测定各处理土壤层中速效氮(Available N, AN)、速效磷(Available P, AP)、速效钾(Available K, AK)的含量。速效氮(AN)采用碱解扩散法测定，速效磷(AP)采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定，速效钾(AK)采用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度法测定。

1.3 数据处理

使用Microsoft Office Excel 2007(Microsoft公司，美国)进行数据的预处理及描述性统计分析，GS+9.0和ArcGIS9.3分析土壤养分含量的半方差函数模型(土壤变异性函数)以及克里格插值。

2 结果与分析

2.1 描述性统计

研究表明，1、3、5、7 a的滴灌小麦的AN、AP和AK含量的平均值均随土层深度的增加呈下降趋势，最大值在0～20 cm土层，最小值在40～60 cm土层，土壤速效养分聚集在土壤表层。

1年AN含量的最大值为158.67 mg/kg，最小值为17.2 mg/kg；AP的含量最大值为33.54 mg/kg，最小值为3.92 mg/kg；AK的含量最大值为652 mg/kg，最小值为240 mg/kg。表1

3年AN含量的最大值为98.2 mg/kg，最小值为26.52 mg/kg；AP含量的最大值27.28 mg/kg，最小值4.02 mg/kg；AK含量的最大值724 mg/kg，最小值281 mg/kg。表2

5年AN含量的最大值为121.74 mg/kg，最小值为20.07 mg/kg；AP含量的最大值23.42 mg/kg，最小值1.09 mg/kg；AK含量的最大值790 mg/kg，最小值338 mg/kg。表3

7年AN含量的最大值为108.7 mg/kg，最小值为11.4 mg/kg；AP含量的最大值32.7 mg/kg，最小值2.9 mg/kg；AK含量的最大值469 mg/kg，最小值156 mg/kg。表4

变异系数(C.V.)是反映离散程度的大小，C.V.<10%为弱变异程度，变异系数在10%≤C.V.≤100%属于中等变异程度，C.V.>100%为强变异程度[8]。各处理的变异系数均在10%～100%。不同滴灌年限速效养分均呈中等程度变异。表1～4

表1 滴灌1年土壤养分描述性统计
Table 1 Descriptive statistics of soil nutrients for one year of drip irrigation

土壤养分Soil nutrient(cm)土层Layer(cm)最大值Max(mg/kg)最小值Min(mg/kg)中值 Middle(mg/kg)平均值Mean(mg/kg)标准差SD变异系数C.V.(%)AN0～20158.6754.1269.1874.8522.1129.53AP33.547.7912.4818.46.635.84AK652274.5357.5390.16103.8726.62AN20～4091.0331.8951.6154.7212.9623.68AP21.315.2512.0812.23.7230.49AK485250.5321352.0275.5921.47AN40～6094.2617.235.8438.1516.7343.85AP13.113.926.277.782.9437.79AK430240272307.0866.0421.51

表2 滴灌3年土壤养分描述性统计
Table 2 Descriptive statistics of soil nutrients for three years of drip irrigation

土壤养分Soil nutrient(cm)土层Layer(cm)最大值Max(mg/kg)最小值Min(mg/kg)中值Middle(mg/kg)平均值Mean(mg/kg)标准差SD变异系数C.V.(%)AN0～2098.243.3762.1265.4915.8524.2AP27.287.313.613.924.4131.69AK724356.551654092.7817.18AN20～4084.7628.3249.8250.7628.9657.05AP16.825.939.8410.062.7227.05AK795353.5527531.95115.8921.78AN40～6063.826.5237.9938.8710.5327.09AP16.534.027.548.453.6443.08AK720281485478.55104.6921.88

表3 滴灌5年土壤养分描述性统计
Table 3 Descriptive statistics of soil nutrients for five years of drip irrigation

土壤养分Soil nutrient(cm)土层Layer(cm)最大值Max(mg/kg)最小值Min(mg/kg)中值Middle(mg/kg)平均值Mean(mg/kg)标准差SD变异系数C.V.(%)AN0～20121.7448.0366.9568.2916.3423.92AP23.426.0310.0811.144.0236.11AK790342472492.999.6920.23AN20～4075.9826.5244.2146.9130.1564.27AP10.423.547.056.991.9227.29AK672.5348460463.470.7115.26AN40～6049.720.0732.9732.538.3925.79AP11.351.094.324.682.1345.51AK496338428425.0442.8710.08

表4 滴灌7年土壤速效养分描述性统计
Table 4 Descriptive statistics of soil nutrients for seven years of drip irrigation

土壤养分Soil nutrient(cm)土层Layer(cm)最大值Max(mg/kg)最小值Min(mg/kg)中值Middle(mg/kg)平均值Mean(mg/kg)标准差SD变异系数C.V.(%)AN0～20108.740.855.959.414.624.5AP32.711.716.7184.826.7AK469205290.829048.716.8AN20～40119.111.441.244.219.243.4AP23.9511.211.43.833.2AK342167249.5245.945.118.3AN40～6058.711.428.129.513.746.3AP17.32.95.67.64.153.7AK300156193.5206.535.717.3

2.2 半方差函数模型

研究表明，块金系数(表达式为C0/C0+C(%))是块金值(Nugget，用Co表示)与基台值(Sill)的比，C0/C0+C(%)<25%表现为强烈空间相关性，25%≤C0/C0+C(%)<50%表现为明显的空间自相关，50%≤C0/C0+C(%)<75%表现为中等空间自相关，75%≤X<100%表现为自相关性微弱。)变异主要由随机变异组成，不适合采用空间插值的方法进行空间预测[13]。

滴灌1 a，土壤层0～60 cm的AK的含量均呈中等空间相关性，土壤层20～40 cm的AN、AP含量均呈明显空间自相关，土壤层40～60 cm的AP含量呈强烈空间相关性。滴灌3 a，土壤层0～20 cm的AN、AP的含量均呈中等空间相关性，AK呈明显空间自相关；土壤层20～40 cm的AN、AP呈明显的空间自相关，AK呈中等空间相关性；土壤层40～60 cm的AN、AP、AK呈明显空间自相关。滴灌5 a，土壤层0～20 cm的AN、AK呈中等空间自相关，AP呈明显空间自相关；土壤层20～40 cm AN呈中等空间自相关，AP、AK呈明显的空间自相关；土壤层40～60 cm AN呈中等空间自相关，AP呈空间自相关。滴灌7 a，AN含量在土壤层0～20 cm、40～60 cm呈中等空间自相关，土壤层20～40 cm呈空间自相关；土壤层0～20 cm AP呈空间自相关，土壤层20～60 cm呈中等空间自相关；土壤层0～20 cm、40～60 cm AK呈空间自相关，土壤层20～40 cm呈中等空间自相关。表5～8

表5 滴灌1年不同土层深度土壤小尺度半方差函数模型
Table 5 Small-scale semivariogram model of different soil depths under drip irrigation for one year

土壤养分Soil nutrient土层深度Soil layer (cm)模型ModelC0/C0+C(%)R2变程Variation残差RSSDAN0～20高斯59.440.712.152.681.83AP球形43.680.473.833.921.03AK球形64.480.748.914.680.59AN20～40高斯42.170.671.172.561.22AP球形42.190.643.261.721.28AK球形58.620.583.091.651.65AN40～60球形48.560.712.260.191.48AP球形23.310.784.150.280.46AK球形52.310.582.140.351.62

表6 滴灌3年不同土层深度土壤小尺度半方差函数模型
Table 6 Soil semivariogram model of different soil depths under drip irrigation for 3 years

土壤养分Soil nutrient土层深度Soil layer (cm)模型ModelC0/C0+C(%)R2变程Variation残差RSSDAN0～20高斯63.450.853.243.180.94AP高斯56.250.421.724.071.11AK高斯45.580.650.781.191.98AN20～40高斯45.680.583.761.041.88AP高斯46.790.576.448.060.69AK球形57.450.678.241.151.29AN40～60高斯38.190.764.563.381.78AP高斯45.140.529.523.871.43AK高斯15.280.694.321.210.78

表7 滴灌5年不同土层深度小尺度半方差函数模型
Table 7 Soil semivariogram model of different soil depths under drip irrigation for 5 years

土壤养分Soil nutrient土层深度Soil layer (cm)模型ModelC0/C0+C(%)R2变程Variation残差RSSDAN0～20球形65.150.681.052.431.36AP球形39.650.804.321.621.15AK高斯69.270.628.233.561.29AN20-40高斯54.290.871.436.411.56AP球形36.450.765.821.651.93AK高斯45.440.692.311.340.98AN40-60高斯52.240.662.562.351.27AP高斯28.690.414.500.291.98AK高斯28.820.682.243.151.12

表8 滴灌7年不同土层深度土壤小尺度半方差函数模型
Table 8 Soil semivariogram model of different soil depths under drip irrigation for 7 years

土壤养分Soil nutrient土层深度Soil layer (cm)模型ModelC0/C0+C(%)R2变程Variation残差RSSDAN0～20高斯58.120.643.181.992.21AP高斯42.140.452.184.621.06AK球形45.170.767.243.151.28AN20～40高斯45.160.691.081.144.14AP球形36.190.76.441.520.98AK球形59.680.481.283.321.7AN40～60球形52.150.581.090.842.43AP高斯65.190.665.480.761.04AK球形46.030.653.112.921.97

2.3 克里格插值

研究表明，滴灌1年，AN、AP、AK含量在土壤层0～20 cm和40～60 cm分别呈片状、破碎状和片状分布，AN、AK高值分布在北部，AP含量南部高于北部。

滴灌3年，土壤层0～20 cm养分含量分布主要呈现层状、点状和破碎状，空间变异明显；AN含量在土壤层0～40 cm主要分布在中部、南部，且随土壤层深度的增加而逐渐降低，土壤层40～60 cm的养分含量由东北部和西南部向中心递减；土壤层0～40 cm的AP含量高值区在西北部，依次向东南部递减，土壤层40～60 cm的养分含量呈明显的点状和片状分布；AK含量随着土壤层深度的增加而含量逐渐降低，均由东南部向西北部递减。

滴灌5年，AN、AP、AK含量总体上呈层状分布，土壤层0～20 cm的AN含量的高值区主要分布在西南部，由西南部向东北部递减，土壤层20～60 cm的AN含量的高值区主要分布在东部，由东部向西部递减；AP含量在耕层(0～20 cm)空间变化显著，主要是因为作物的吸收方式以及和人为施入的磷素有关，随着土层深度的增加含量急速递减，高值区主要分布在南部；土壤层0～20 cm、40～60 cm的AK含量最高值分布在东南部，土壤层20～40 cm的最高值分布在东部。

滴灌7年，AN的含量呈片状、破碎状分布，高值区在中部和南部；AP的含量呈现片状、点状分布，土壤层0～20 cm含量由北向南递减，土壤层20～40 cm含量由西向东递减；AK的含量呈现片状分布，各土层由西向东递减。图2～5

图2 滴灌1年土壤速效养分空间分布
Fig.2 Spatial distribution of soil available nutrients in drip irrigation for 1 years

图3 滴灌3年土壤速效养分空间分布
Fig.3 Spatial distribution of soil available nutrients in drip irrigation for 3 years

图4 滴灌5年土壤速效养分空间分布

Fig.4Spatialdistributionofsoilavailablenutrientsindripirrigationfor5years

图5 滴灌7年土壤速效养分空间分布
Fig.5 Spatial distribution of soil available nutrients in drip irrigation for 7 years

3 讨 论

研究结果表明，在滴灌耕作过程中，随着耕地年限的变化，小尺度上土壤养分含量的累积和分布也发生了变化。Schlesinger等[14]研究表明，土壤养分含量空间变异性与土壤种植方式密切相关。王海江等[15]研究表明，小尺度土壤养分含量空间变异程度下降，在空间上趋于均一。该文基于小尺度分析了滴灌1 a、3 a、5 a、7 a的AN、AP、AK的含量分布特征，描述性统计表明，随着土层深度的增加速效养分平均值呈现下降趋势，各速效养分最大值在土壤层0～20 cm，最小值在土壤层40～60 cm。土壤速效养分含量大部分都聚集于表层，且不同滴灌年限速效养分均为中等程度变异(10%～100%)。

滴灌1年，土壤层0～20 cm AN的含量空间分布主要受随机因素的影响，土壤层0～60 cm的AK都呈中等空间相关性，土壤层20～40 cm AN、AP含量呈明显空间自相关，土壤层40～60 cm AP则呈强烈的空间相关性。滴灌3年，土壤层0～20 cm的速效氮和速效磷为中等空间自相关，这表明该土层土壤养分空间分布主要由施肥、灌溉等人为因素和地理因素(成土母质和成土过程)共同作用形成，速效钾为明显的空间自相关，主要受地理因素的影响；土壤层20～40 cm的AN、AP呈明显的空间自相关，AK含量呈中等空间相关性；土壤层40～60 cm AN、AP、AK呈明显空间自相关。说明随着土层深度的增加，地理因素为主要因素。滴灌5年，土壤层0～20 cm的AN、AK含量呈中等空间自相关，AP则呈明显的空间自相关，土壤层20～40 cm的AN呈中等空间自相关，AP和AK则呈明显的空间自相关，土壤层40～60 cm的AN含量呈中等空间自相关，AN、AK呈空间自相关。滴灌5年，AN、AP、AK的含量随着土层深度的增加，块金系数逐渐降低，说明耕层土壤养分分布主要受人为因素的影响，随着土层深度的增加地理因素影响更显著。滴灌7年，土壤层0～20 cm、40～60 cm的AN含量呈中等空间自相关，表明速效养分含量分布主要受自然因素和随机因素的共同影响；土壤层20～40 cm呈空间自相关；土壤层0～20 cm的AP含量呈空间自相关，土壤层20～60 cm呈中等空间自相关；土壤层0～20 cm、40～60 cm的AK含量呈空间自相关，土壤层20～40 cm呈中等空间自相关。

克里格插值表明，滴灌1 a、3 a、5 a和7 a土壤速效养分均呈现层状、点状和破碎状分布，小尺度上养分空间变异较明显，这可能与研究区生境复杂多样、作物的吸收方式和施肥管理有关。滴灌3年，磷元素可移动性较差，其含量变化与采样点位置密切相关。滴灌5年，在土壤层0～20 cm土层中，AN的高值区主要分布在西南部，由西南部向东北部递减，土壤层20～60 cm的AN含量高值区主要分布在东部，由东部向西部递减，这是因为0～20 cm为耕作层，AN含量的空间分布受人为耕作，作物生长、气候环境和吸收方式的共同影响；AP含量在耕层(0～20 cm)空间变化显著，主要是因为作物的吸收方式以及和人为施入的磷素有关，随着土层深度的增加含量急速递减，高值区主要分布在南部；AP含量在耕层(0～20 cm)空间变化显著，主要是因为作物的吸收方式以及和人为施入的磷素有关，随着土层深度的增加含量急速递减，高值区主要分布在南部；AK在土壤层0～20 cm、40～60 cm最高值分布在东南部，土壤层20～40 cm的最高值分布在东部，说明AK的养分空间分布也受土壤黏粒的影响[7]。在不同年限的滴灌耕作过程中，距离滴灌带的土壤养分片状分布越明显，这是由于土壤养分通过小麦的生物富集，与周围的裸地相比，在小麦种植区形成一个个养分富集区，即距离滴灌带越远土壤养分含量明显较低。土壤中生长的植物及其生长格局的不同会引起土壤中盐分、有机质和养分分布格局的变化[16]。而在内蒙古湿地离植物群落中心越远，土壤中的养分含量逐渐降低[17]。

基于以上研究结果，为了充分说明不同滴灌年限小麦土壤养分的空间变异的差异，应延长种植年限，并且在较大的尺度上进一步研究，以全面剖析滴灌小麦土壤养分空间变异的特征。

4 结 论

4.1 不同滴灌年限小麦的土壤速效养分(速效氮、速效磷和速效氮)含量的最大值均在耕层(0～20 cm)，且随着土层深度的增加而逐渐降低；不同滴灌年限土壤的速效氮、速效磷和速效钾变异系数为弱变异和中等变异程度。

4.2 不同滴灌年限的土壤速效养分在小尺度空间异质性程度不同，呈明显空间自相关和中等空间相关性。说明，不同滴灌年限的土壤养分的空间分布主要受人为因素和随机因素的共同影响。

4.3 不同滴灌年限土壤的速效氮、速效磷和速效钾含量主要呈现片状、块状和点状分布，耕层(0～20 cm)的速效养分空间分布主要受人为因素，气候环境、作物吸收方式和地形的共同影响，底层(40～60 cm)的土壤养分空间分布则与地理因素有关。

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